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<title>实现一个精简的BLE从机协议栈—5—链路层连接建立——实现细节 | fx</title>
  






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        <h1 class="post-title" itemprop="name headline">
          实现一个精简的BLE从机协议栈—5—链路层连接建立——实现细节
        </h1>

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    <div class="post-body" itemprop="articleBody">
        <center>
本文描述 BLE 链路层连接建立过程，在代码上的具体实现细节。
</center>

<span id="more"></span>

<hr>
<ul>
<li>本系列文章，基于<code>nordic nrf52840</code> MCU，来实现一个精简的 BLE 从机协议栈。</li>
<li>已经实现的协议栈地址：<a target="_blank" rel="noopener" href="https://github.com/fengxun2017/dh_ble/tree/dev">https://github.com/fengxun2017/dh_ble&#x2F;tree&#x2F;dev</a>，目前在dev分支进行更新开发。早期是基于<code>nrf51822</code>实现了<code>BLE 4.0</code>规范中从机协议栈中的必要部分，实现了可以和手机连接并传输数据。目前手上只有<code>nrf52840</code>了，当前基于<code>nrf52840</code>实现底层需要的驱动，并通过该系列文章，逐步修改一些上层不合理的地方。</li>
<li>该系列文章，涉及到的协议部分会基于<code>BLE 5.3</code>规范进行描述，但仍旧只实现<strong>最简单、必要</strong>的部分（能连上手机，进行通信即可），并基于<code>iphone</code>进行测试。因此，<code>android</code>可能会由于发送一些我没实现的指令，出现兼容性问题。并且由于没有充分的错误场景测试，一些实现本身可能存在缺陷。</li>
<li>本系列文章，只是用来作为学习 BLE 协议的参考，从硬件层驱动，链路层，到上层协议，都以最直接，简单的方式来实现。</li>
</ul>
<br>

<p><strong>我们实现的是从机协议栈，因此本文介绍的链路层连接建立过程，都是基于从机角度来描述的。本文也只讨论最常见的，普通广播状态下，接收到连接请求（CONNECT_IND）后，连接的建立过程</strong></p>
<h4 id="1：前情回归："><a href="#1：前情回归：" class="headerlink" title="1：前情回归："></a>1：前情回归：</h4><p>在文章<a target="_blank" rel="noopener" href="https://fengxun2017.gitee.io/2023/04/24/BleStack-link-advertising/">链路层广播状态机实现</a>一文中，我们对从整体上将 BLE 链路层状态间的关系和转换，抽象为下图所示的一个简单状态机：<br><img src="/2023/06/06/BleStack-link-connection-2/base-states.jpg"></p>
<center>图 1 </center>

<p>并且，我们分析了<strong>广播态</strong>中的一些细节，如下图所示：</p>
<p><img src="/2023/06/06/BleStack-link-connection-2/adv-states.png"></p>
<center>图 2 </center>



<p>本文，我们对上图右边的<strong>连接态中</strong>的细节进行分析，在<a target="_blank" rel="noopener" href="https://fengxun2017.gitee.io/2023/05/20/BleStack-link-connection/">链路层连接建立——前置理论</a>一文中，我们总结了完整的连接建立过程大致分为三部分：</p>
<ul>
<li>被连接设备广播，发起连接的设备扫描设备。</li>
<li>发起连接的设备发送连接请求（CONNECT_IND）,被连接设备收到该请求。 则两个设备均进入连接态，并且这个连接本身为<strong>连接创建状态</strong>。</li>
<li>在规定的时间范围内，设备双方完成了第一次数据交互，则<strong>连接建立真正完成</strong>。</li>
</ul>
<h4 id="2：实现需要考虑的问题"><a href="#2：实现需要考虑的问题" class="headerlink" title="2：实现需要考虑的问题"></a>2：实现需要考虑的问题</h4><p>上述过程是一个理想的过程，在实际情况中，可能由于各种原因导致peripheral 设备（在规定的时间）没有收到 central 设备发送过来的数据包。</p>
<p>例如，在<a target="_blank" rel="noopener" href="https://fengxun2017.gitee.io/2023/05/20/BleStack-link-connection/">链路层连接建立——前置理论</a>一文中，我们提到过，连接创建后，peripheral 和 central 第一次数据交互的理想情况是：<br><img src="/2023/06/06/BleStack-link-connection-2/first-packet-time.png"></p>
<center>图 3 </center>

<p>但实际可能由于信号干扰，central设备突然掉电等各种因素，导致central没有在上图中的<code>Transmit Window</code>范围内发出第一个数据包（C-&gt;P），这种情况怎么处理？ 规范要求以<code>Transmit Window</code>的起始为准，延后一个连接间隔（connection interval，因为收到了CONNECT_IND，所以此时peripheral是知道连接间隔的）继续应用<code>Transmit Window</code>的模式开始监听：<br><img src="/2023/06/06/BleStack-link-connection-2/connection-setup.png"></p>
<center>图 4 </center>

<p>上图中，第一个<code>Transmit Window</code>中，peripheral 未收到 central 发送的数据包，但是在第二个<code>Transmit Window</code>中完成了第一次数据交互，并确立了理论上的后续通讯时刻（Anchor Point，这里说的是理论时刻，因为考虑到时钟精度问题，真实的通讯时刻是不确定的，在文章<a target="_blank" rel="noopener" href="https://fengxun2017.gitee.io/2023/03/25/BleStack-hardware-driver/#2%E2%80%94%E2%80%94%E5%AE%9E%E7%8E%B0%E4%B8%AD%E7%9A%84%E4%B8%80%E4%BA%9B%E7%BB%86%E8%8A%82%E9%97%AE%E9%A2%98">基础概念</a>中有说明）。</p>
<p>那么，如果在第二个<code>Transmit Window</code>中也没有收到 central 发送的数据包呢，规范针对这种可能性，规定了在连接完成建立（完成第一次数据交互）前，如果超过 <strong>6</strong> 次都没有完成第一次数据交互，则认为连接失败。<br><code>PS：实际上，连接请求（CONNECT_IND）中是有连接监督超时（Supervision Timeout）参数的，但是该参数是应用在连接建立成功（完成了第一次数据交互）以后的。为什么在连接创建后的第一次交互过程中不应用连接监督超时参数？这是因为，连接监督超时（Supervision Timeout）一般为几秒中，而连接间隔一般为几十ms。因此，6 次连接间隔也就几百ms 的时间，相比于使用 几秒的连接监督超时，使用 6 次检测可以更快地终止失败的连接建立过程（6次握手都没成功，大概率是一方设备出问题了，或当前环境干扰很多）。</code></p>
<p>连接建立过程中的丢包情况，上文已经描述了。<br>而连接建立完成后，后续的周期交互中，也是可能出现丢包的，如下图所示： <strong>再次声明，我们都是站在广播设备&#x2F;peripheral设备的角度来描述的</strong><br><img src="/2023/06/06/BleStack-link-connection-2/packet-loss.png"></p>
<center>图 5 </center>
PS：上图中，每个连接事件中Central设备和Peripheral设备只交互一次（各发送一包数据）。不过实际中，各厂商实现都是可以交互多包数据的，我们的实现中，为了简单起见，只交互一次。

<p>如上图所示，在连接成功建立以后，之后的任意一次交互，都可能由于环境、设备故障等因素导致没有交互成功。但只要这个交互不成功过程的持续时间，没有超过连接监督超时（Supervision Timeout），连接状态就仍旧是正常的（后续任何一次成功的交互都可以让连接监督超时重置，使得连接状态恢复正常，继续进行数据传输）。</p>
<h4 id="3：连接状态下的子状态机"><a href="#3：连接状态下的子状态机" class="headerlink" title="3：连接状态下的子状态机"></a>3：连接状态下的子状态机</h4><p>通过前文的描述，我们引出了一个必须考虑的实际问题，即连接建立中，以及连接建立完成后的正常周期交互过程中，都需要考虑对方设备（central，我们都是站在peripheral角度进行描述）未在规定时间发送数据包的情况（<code>可能由于环境干扰导致没监听到，也可能由于对方设备（central）异常等原因</code>）。</p>
<p>也就是说：</p>
<ol>
<li><p>当设备收到了<code>CONNECT_IND</code>，链路进入<strong>连接创建状态</strong>，并作为<code>peripheral</code> 角色（即我们实现的从机）。我们使用<strong>CONN_CONNECTING_RX</strong> 来表示这个状态。（后缀的RX，表示需要监听 <code>central</code> 角色设备是否在规定时间范围内，发送过来的第一包数据）。</p>
<ul>
<li>当规定时间内收到了<code>central</code>发送过来的第一包数据，则<strong>连接建立完成</strong>，并进入 <strong>CONN_CONNECTED_TX</strong>状态。（后缀TX，因为收到<code>central</code>数据包后，我们需要回包）</li>
<li>规定时间内没有收到<code>central</code>发送过来的第一包数据（即接收等待超时），则关闭radio。此时，如果失败次数未超过6，状态继续为<strong>CONN_CONNECTING_RX</strong> 并等待下个间隔再次尝试接收（<strong>图4情况</strong>）。如果失败超过6次了，则链路断开，连接失败。<br></li>
</ul>
</li>
<li><p>完成了上述 1 中的第一次数据交互，<strong>则连接成功建立</strong>。</p>
<ul>
<li>后续的交互中，每次连接间隔时间到达（连接事件），设备总是会先处于<strong>CONN_CONNECTED_RX</strong> 状态（因为我们实现的是Peripheral设备，每个连接间隔到期时，总是Central先向Peripheral发送数据包）。</li>
<li>当在期望时间内收到了 Central 发送过来的数据包，则切换到 <strong>CONN_CONNECTED_TX</strong> 状态，发送回包（有数据就发送数据，没有数就发送空包以维持连接）。</li>
<li>在期望的时间内没有收到 Central 的数据包（接收等待超时），则关闭radio。如果这个交互不成功（即在<strong>图 5</strong>的connection event中交互失败）过程的持续时间，超过了连接监督超时（Supervision Timeout），则连接断开。否则等待下次连接间隔到达（又切换回<strong>CONN_CONNECTED_RX</strong> ）。</li>
</ul>
</li>
</ol>
<p>综上所述，我们可以将链路层连接态下的状态转换，大致表达为下图所示状态机：<br><img src="/2023/06/06/BleStack-link-connection-2/adv-conn-states.png"><br>PS：图中的连接断开条件，对于连接建立成功前来说，是 6 次握手没有成功；对于连接建立成功后来说，是交互失败持续时间到达连接监督超时。</p>
<h4 id="4：具体实现"><a href="#4：具体实现" class="headerlink" title="4：具体实现"></a>4：具体实现</h4><p>上图的状态机是一个比较理性的情况，但是在实际的实现中，我们使用了nordic radio 收&#x2F;发模式自动切换特性(在文章 <a target="_blank" rel="noopener" href="https://fengxun2017.gitee.io/2023/04/24/BleStack-link-advertising/">链路层广播状态机实现</a> 的最后有相关描述) 以及基于DISABLED中断事件来驱动底层状态机的变换。导致在底层实现时需要一个连接前置状态，如下图所示：<br><img src="/2023/06/06/BleStack-link-connection-2/pre-conn.png"><br>PS：连接前置状态下，内部处理很简单，仅仅只是收到DISABLED中断事件后，将链路状态切换为连接态<strong>BLE_LINK_CONNECTED</strong>，并且其子状态设置为<strong>CONN_CONNECTING_RX</strong>。</p>
<p>根据前文所述，链路层的事件处理可以概括出如下的大致代码逻辑：</p>
<figure class="highlight c"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br><span class="line">5</span><br><span class="line">6</span><br><span class="line">7</span><br><span class="line">8</span><br><span class="line">9</span><br><span class="line">10</span><br><span class="line">11</span><br><span class="line">12</span><br><span class="line">13</span><br><span class="line">14</span><br><span class="line">15</span><br><span class="line">16</span><br><span class="line">17</span><br><span class="line">18</span><br><span class="line">19</span><br><span class="line">20</span><br><span class="line">21</span><br><span class="line">22</span><br><span class="line">23</span><br><span class="line">24</span><br><span class="line">25</span><br><span class="line">26</span><br><span class="line">27</span><br><span class="line">28</span><br><span class="line">29</span><br><span class="line">30</span><br><span class="line">31</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="comment">// radio发送或接收完成后的事件处理</span></span><br><span class="line"><span class="type">void</span> <span class="title function_">LinkRadioEvtHandler</span><span class="params">(EnBleRadioEvt evt)</span></span><br><span class="line">&#123;</span><br><span class="line">    <span class="comment">// 获取当前链路状态</span></span><br><span class="line">    state = CURRENT_STATE;	</span><br><span class="line"></span><br><span class="line">        <span class="comment">// 广播状态下的相关处理</span></span><br><span class="line">    <span class="keyword">if</span> (state == BLE_LINK_ADVERTISING) &#123;</span><br><span class="line">        <span class="comment">// 根据广播子状态执行相关动作</span></span><br><span class="line">        <span class="keyword">switch</span> (sub_state) &#123;</span><br><span class="line">          <span class="keyword">case</span> ADV_TX: .... <span class="keyword">break</span>;</span><br><span class="line">          <span class="keyword">case</span> ADV_RX: ... <span class="keyword">break</span>;</span><br><span class="line">          ...</span><br><span class="line">        &#125;</span><br><span class="line">    &#125;</span><br><span class="line">        <span class="comment">// 连接前置状态</span></span><br><span class="line">    <span class="keyword">else</span> <span class="keyword">if</span> (state == BLE_LINK_PRE_CONNING) &#123;</span><br><span class="line">        <span class="comment">// 链路状态切换成 BLE_LINK_CONNECTED</span></span><br><span class="line">        <span class="comment">// 连接子状态切换成 CONN_CONNECTING_RX，准备接收第一包数据</span></span><br><span class="line">        ...</span><br><span class="line">    &#125;</span><br><span class="line">    <span class="comment">// 连接状态下的相关处理</span></span><br><span class="line">    <span class="keyword">else</span> <span class="keyword">if</span> (state == BLE_LINK_CONNECTED) &#123;</span><br><span class="line">        <span class="keyword">switch</span> (sub_state) &#123;</span><br><span class="line">          <span class="keyword">case</span> CONN_CONNECTING_RX: .... <span class="keyword">break</span>;</span><br><span class="line">          <span class="keyword">case</span> CONN_CONNECTED_RX: ... <span class="keyword">break</span>;</span><br><span class="line">          ...</span><br><span class="line">        &#125;</span><br><span class="line">    &#125;</span><br><span class="line">    ...</span><br><span class="line">&#125;</span><br></pre></td></tr></table></figure>

<p>当然，实际的实现没有上面的代码那样简单，但实现的思路&#x2F;逻辑就是按照上面代码的层次结构来的。</p>

    </div>

    
    
    

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      <strong>本文作者： </strong>feng xun
  </li>
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      <strong>本文链接：</strong>
      <a href="http://fengxun2017.github.io/2023/06/06/BleStack-link-connection-2/" title="实现一个精简的BLE从机协议栈—5—链路层连接建立——实现细节">http://fengxun2017.github.io/2023/06/06/BleStack-link-connection-2/</a>
  </li>
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    <strong>版权声明： </strong>本博客所有文章除特别声明外，均采用 <a href="https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.zh" rel="noopener" target="_blank"><i class="fab fa-fw fa-creative-commons"></i>BY-NC-SA</a> 许可协议。转载请注明出处！
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  <span class="author" itemprop="copyrightHolder">feng xun</span>
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